20mm紫铜棒挤压成型平流模结构优化的虚拟设计.docx

目 录

第1章 概 述 3
1.1 挤压 3
1.2 DEFORM-3D 3
1.3 紫铜棒应用及发展 4
第2章 挤压工艺参数设计 6
2.1 挤压方案 6
2.2 挤压工艺参数 6
第3章 变形工模具设计 8
3.1 挤压模具的选择 8
3.2 挤压模的结构尺寸设计 9
3.3 挤压筒的结构尺寸设计 10
第4章 DEFORM-3D数值模拟 11
4.1前处理 11
4.2 数据提取 11
第5章 结果分析 14
5.1 挤压力的分析 14
5.2 破坏程度的分析 15
5.3 模具磨损程度的分析 16
总 结 17
参考文献 18
致 谢 19

插图清单

………..................……………......................…...........………..7
………………………................……...................………..................7
图4-1 挤压垫载荷分布图……………………………….............………........………...........11
图5-1 挤压速度对平均载荷值的变化……………………………….......….…………........13
图5-2 模口半径对平均载荷值的变化……………………………........................................13
图5-3 挤压速度对破坏系数的变化….......................……………......................…...............14
图5-4 模口半径对破坏系数的变化….......................……………......................…...............14
图5-5 挤压速度对磨损深度的变化….......................……………......................…...............15
图5-6 挤压速度对磨损深度的变化….......................……………......................…...............15

表格清单

表2-1 挤压方案参数表…….................................................................…..................6表4-1 挤压垫平均挤压力..........………...............................................….................11
表4-2 坯料最大破坏系数……………......................………...........…......….……..12
表4-3 挤压模磨损深度…………...........................…............................……...........12

Ø20紫铜棒挤压成型平流模结构优化的虚拟设计
摘 要

本次设计主要运用DEFORM-3D模拟紫铜棒挤压过程，分析挤压过程中挤压速度和模口半径对挤压过程中挤压力、破坏倾向、模具磨损等方面的影响及其机理。通过计算机模拟实验结果得出挤压速度和模口半径的影响规律，从而得出最佳的挤压工艺参数。这一模拟实验为生产提供一定可行的经验参考数据，提高生产效率，节约研发成本以及降低实际实验所造成的污染等问题。在此次设计中，核心问题是挤压方案的确定和模拟实验结果的分析，其中，需要值得注意的是在应用DEFORM-3D软件挤压模拟过程中，前处理中相关参数的设置直接影响到模拟的过程是否顺利，模拟的结果是否符合实际，模拟的数据是否正确。在后处理中，提取的数据如何处理和分析才能得到最优的挤压工艺参数和模具结构参数。
关键词：紫铜；挤压速度；DEFORM-3D模拟；模具磨损

The virtual design of structure optimization of extrusion forming advection mode of Ø20 purple copper

Abstract

This design mainly uses DEFORM-3D simulation copper bar extrusion process, including the analysis of extrusion process of extrusion speed and die radius of influence of extrusion in the process of extrusion stress and destructive tendencies, tool wear and its mechanism. The influence of the extrusion speed and the radius of the die is obtained by computer simulation, and the optimum extrusion parameters are obtained. This simulation experiment provides some feasible experience reference data for production, improve production efficiency, save development cost and reduce pollution caused by actual experiment. In this design, the core problem is extruding scheme determination and simulation analysis of the experimental results, the need to pay attention to is the application software of DEFORM-3D extrusion process simulation and relevant parameters in the pretreatment setting directly affects the simulation process is smooth, simulation results is in accordance with the actual and simulated data is correct. In the post-processing, the extraction of the data and the analysis of how to get the optimal extrusion process parameters and mold structure parameters.
Keywords: copper; extrusion speed; DEFORM-3D simulation; tool wear

第1章 概 述

1.1 挤压
挤压方法根据不同的特征可以分为很多种类。首先按制品流出方向分类，挤压可分为正向挤压和反向挤压，正挤压和反挤压也是最基本的方法，其中正向挤压的挤压杆运动方向与金属流动的方向相同，其主要特点是坯料与挤压筒内壁间有相对滑动，即两者之间存在较大的外摩擦；而反向挤压的挤压杆的运动方向与金属流动方向相反，且与挤压筒内壁间无相对滑动，即不存在外摩擦。正挤压与反挤压有着不同的优缺点，这就决定了它们的适用范围，而且对挤压过程、产品质量和生产效率等有着极大的影响。挤压又可分为温挤压、热挤压和冷挤压，热挤压必须要在再结晶温度以上才能进行；冷挤压必须要求在回复温度以下才能进行，最好保持在在室温左右进行；温挤压应该在回复温度以上和再结晶温度以下的范围中进行。热挤压和冷挤压是金属压力加工的两大重要部分，而温挤压发展比较晚，应用范围也十分局限。本次设计研究的是紫铜棒的正向热挤压。
1.2 DEFORM-3D
1.3 紫铜棒应用及发展
　　铜合金种类很多，但它们的塑性加工性能差异较大。紫铜、黄铜、青铜和白铜均有较好的热加工性能，变形温度为。除含铍、铬、锆等青铜合金除外，对铜合金进行变形加工，很容易产生加工硬化。塑性最好的紫铜的热态、冷态压力加工变形率均可达到以上。
　　铜和铜合金的塑性变形加工，除应保证制品的力学性能稳定一致，尺寸公差在误差范围内和表面质量符合实际生产需求外，对要求具有深冲性能的铜材还要控制晶粒大小，为控制制品的晶粒度，在冷加工时，要注意控制中间退火工艺制度和变形量；在热加工时，要注意对加热温度的控制。
紫铜棒材的热塑性极好，适用于热挤压变形。紫铜棒的挤压流出速度较其他铜合金高，速度可达毫米/秒，而锡磷青铜仅为毫米/秒。紫铜的最大挤压比要比黄铜大500倍，而青铜的挤压比为,白铜的挤压比为。由此可以看出紫铜棒的热塑性非常好，适用于热挤压加工。
紫铜棒因外观颜色呈紫红色而得名，由于紫铜有着优良的导电性，其线材主要用作导电材料，因此在电气方面应用非常广泛，紫铜线材一般通过冷拉得到，然后需进行退火处理以改善导电性能。中国紫铜加工材料按成分可分为：普通紫铜、无氧铜、脱氧铜、添加少量合金元素的特种铜四大类。紫铜的热导率仅次于银，广泛用于导热器材。而且紫铜在大气、海水和某些非氧化性酸、碱、盐溶液及多种有机酸中有良好的耐蚀性，广泛用于化学工业。
综上所述，紫铜具有良好的导电性、导热性、耐蚀性和加工性能,可以焊接和钎焊。紫铜棒的用途比纯铁广泛得多，每年有50%的铜被电解提纯为纯铜，用于电气工业，但用于该工业的铜一般都必须是无氧铜。另外，铅、锑、铋等杂质会使铜的结晶不能结合在一起，很容易造成热脆，因此也会对纯铜的加工有很大影响。这种纯度要求很高的铜，一般采用电解法精制得到：在阳极放置粗铜，阴极上放置纯铜，以硫酸铜溶液为电解液。当电流通过后，阳极上粗铜逐渐熔解于电解质溶液中，通过化学置换反应，电解液中铜便逐渐沉淀在阴极上。这样精制而得的铜;纯度可达99.99%。铜的冶炼行业是国民经济中基础性行业，铜的矿产资源丰富，铜广泛应用于航空航天、电工电气、交通设备、工业设备、医学以及人们日常生活用品，中国使用铜的历史悠久，其冶炼技术也在一直发展和进步，现代生活对纯铜的需求量更高，在保证纯铜的加工要求绿色环保下，其冶炼和加工技术必须进一步革新，这样才能加快社会的发展和进步，满足人们的需求和提高国家的经济地位。

第2章 挤压工艺参数设计

2.1 挤压方案
表2-1 挤压方案参数表

2.2 挤压工艺参数
查阅参考文献得知紫铜的挤压比范围为10-400，本实验在此范围内取挤压比=100。 第3章 变形工模具设计

3.1 挤压模具的选择

3.2 挤压模的结构尺寸设计
～3.3 挤压筒的结构尺寸设计

所以：
第4章 DEFORM-3D数值模拟

4.1前处理
（1）首先新建文件进入前处理中进行模拟控制的设置选用SI单位制进行运行，模拟设置为30步，每2步保存一次，控制方法定义为步长增量，设置为2mm/step。所用的算法为Direat iteration。
（2）单击三次导入图标分别增加挤压垫、模具以及挤压筒，选择workpiece，常规设置中选择温度850℃，材料设置为CDA110[70-1650F(20-900)],导入已做好的坯料并检查。
（3）完成检查后单击网格划分，在细节设置，绝对尺寸设置中选择最小尺寸3mm，比例系数2，分别进行表面网格和实体网格的生成。
（4）因所设计的方案为1/4对称模拟，故需要设置对称面以及导热面，添加坯料的两个1/4切割面为对称面，再设置除了对称面以外的其他面为导热面。
（5）设置里再添加体积补偿完成坯料的基本设置。
（6）挤压垫基本设置中选择温度350℃，导入已做好的挤压垫并检查。
(7)选择移动设置，设置方向为需要挤压的方向，速度设置为10mm/s。
(8)挤压模基本设置中选择温度350℃，导入已做好的挤压模并检查。
（9）检查完成后进行网格划分，材料设置为AISI-H-13（mashining），在细节设置，绝对尺寸设置中选择最小尺寸3mm，比例系数2，分别进行表面网格和实体网格的生成。
（10）同样设置两个1/4切割面为对称面，模具内部其余的面设置为导热面。
(11)选择高级设置并在其硬度设置中选择数值为55。
(12)挤压筒基本设置中选择温度350℃，导入已做好的挤压筒并检查。
(13)定义物体间的接触关系，摩擦因数为0.3，取热传导系数为5，之后进行工具磨损设置，输入a=1,b=1,c=2,k=0.000002,全部生成后结束定义关系设置。
(14)待前处理设置完成后，检查DB文件设置，确认无误后生成DB文件。然后关闭前处理界面再运行所生成的DB文件。
（15）用以上方式输入不同方案所需要分析的变量，并8逐个生成所有的DB文件。

4.2 数据提取

由于本次设计我们主要研究模口半径与挤压速度对挤压力、破坏系数和模具磨损的影响规律，因此我们只要在DEFORM模拟后处理中观察载荷分布图，破坏系数分布图和模具磨损深度分布图并将其数据提取出来进行处理和分析。

（1）挤压力的数据提取：现对模口半径为40mm的挤压模，挤压速度为10mm/s的第一个方案进行处理分析，其挤压垫的载荷图如图4-1。

图4-1 挤压垫载荷分布图

观察挤压垫载荷分布图，发现在0.022s后载荷值处于波动起伏状态，但波动值不大，将该时刻后的所有数据提取出来，去掉若干较小的和较大载荷值，使用EXCEL表格求得平均载荷值，其他方案也按上述方法进行操作，整理后共16组数据，将其绘成表格4.2。
模口半径(mm)
表4-1 挤压垫平均载荷值(MN)
挤压速度(mm/s)

（2）破坏系数的数据提取：在这里我们研究的是紫铜棒的破坏程度，在后处理中，选中Damage，通过动态模拟过程，观察分析圆角半径处的破坏系数变化情况，当出现明显增大时，既可选择导出该组数据。其余方案与此处理方法相同，其处理数据结果如表4-2。
模口半径(mm)
表4-2 坯料最大破坏系数
挤压速度(mm/s)

（3）模具磨损的数据提取：在这里我们研究的是挤压模的磨损深度，在后处理中，从模具的磨损深度分布图中其磨损深度是随挤压步数的增加而增加的，因此我们要从坯料开始进模孔算起，记录下进模孔那一刻的时间和磨损深度值，然后在经过一定时间后，我的时间间隔是0.05s，记录0.05s后的那一刻的磨损深度值，再求出两个时刻的磨损差值，最后将所有方案数据整理绘成表格4-3。
表格4-3 挤压模磨损深度（mm）模口半径(mm)

挤压速度（mm/s)

第5章 结果分析

5.1 挤压力的分析

通过表4-1可以绘成曲线趋势图如图所示。

模口半径(mm)

图5-1 挤压速度对平均载荷值的变化
挤压速度(mm/s)

图5-2 模口半径对平均载荷值的变化

由5-1图可得：随着挤压速度的增加，载荷值逐渐增大，即挤压力增大，达到一定速度时，挤压力出现了下降趋势，是由于挤压速度增加，温度升高，有利于回复与再结晶的进行，使变形抗力在一定程度上有所下降，故使得挤压力有下降趋势。由5-2图可得：随着模口半径的增加，挤压力逐渐增加，半径达到一定大小时，挤压力出现了下降趋势。

5.2 破坏程度的分析
通过表4-2可以绘成曲线趋势如图所示。
模口半径(mm)

图5-3 挤压速度对破坏系数的变化

挤压速度(mm/s)

图5-4 模口半径对破坏系数的变化
由图5-3可以看出：当模口半径为40mm时，随着挤压速度的增加，破坏系数有减小的趋势；当模口半径为60mm时，随着挤压速度的增加，破坏系数有增大的趋势；而模口半径为100mm的破坏程度随挤压速度变化不明显，模口半径为80mm的破坏程度随挤压速度增加反而使破坏倾向减小，挤压速度继续增加，其破坏倾向又出现了波动，此曲线不合实际情况。由图5-4可以看出:当挤压速度为20mm/s和30mm/s时，随着模口半径的增加，破坏系数呈现先增加后减小的趋势;而挤压速度为10mm/s和30mm/s时，破坏系数波动较大，不合实际情况。

5.3 模具磨损程度的分析
通过表4-3可以绘成曲线趋势图如图所示。

模口半径(mm)

图5-5 挤压速度对磨损深度的变化
挤压速度(mm/s)

图5-6 挤压速度对磨损深度的变化

由图5-5可以看出：随着挤压速度的增加，各个方案的磨损深度都随之增大，因此挤压速度越小对模子的磨损越小，提高了模子的耐用度。由图5-6也能看出速度越小越好，磨损越低；从图中可以观察到挤压速度为10mm/s时的模具磨损深度最近，因此该速度值为最佳挤压速度。而当挤压速度为30mm/s时，模子磨损深度随模口半径先减小后增大的趋势，因此模口半径在其极小值处取得最优值。从图中可以观察得到模口半径在40mm～60mm区间内所受的磨损程度较低。

总 结

本次设计主要运用DEFORM模拟紫铜棒挤压过程，分析实验参数即模口半径和挤压速度对挤压力、破坏倾向、模具磨损等方面的影响及其机理。模拟实验之前先要确定设计方案，有了明确的方案之后，再进行挤压参数的确定，这关系到模拟实验前处理中的各项参数的确定，然后进行模具和坯料结构参数的确定，这关系到构造三维模型和导入前处理中的使用，三维造型软件选择PRO/E，注意绘图时各模具的相对位置，这关系到前处理中接触关系设置，最后进行DEFORM数值模拟，前处理一定要注意对坯料网格的划分，网格划分不宜太小或太大，否则会影响后处理中挤出的制品质量。还有前处理中对模具的磨损设置一定要注意对挤压模的网格划分，以及对材料和硬度的设置，这关系到后处理中的模具磨损深度变化，这也是模拟过程中经常忽视的问题，一定要引起重视。接下来就是观察后处理各因素变化和实验结果的分析，将各因素指标随挤压工艺参数和模具结构参数变化绘成图表，这样便于观察和分析曲线趋势，分析观察图表时如发现某些点或曲线趋势明显不符合实际情况，那么就应该去掉这些点或曲线，最终得到最优的挤压工艺参数和模具结构参数。通过紫铜棒挤压模拟实验，本次设计最优的挤压工艺参数，即挤压速度在10mm/s处的所分析的指标最为理想，而本人觉得在实际生产中挤压速度低于10mm/s可能会增大生产效率，有利于延长模子的寿命。本次最优的模具结构参数我们只需要研究挤压模的结构参数，即模口半径在40～60mm区间内所分析的各项指标更为理想，尤其对模具磨损深度影响最小。这样就完成了对紫铜棒挤压成型平流模结构优化的虚拟设计。

参考文献

[1]杨守山主编.有色金属塑性加工学.北京：冶金工业出版社，1983.
[2]马怀宪主编.金属塑性加工学——挤压、拉拔与管材冷轧.北京：冶金工业出版社，1980.
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[4]陈义武,陈敬超,张昆华. 铜的热挤压有限元模拟[J].现代制造工程,2006,（5）:5-7
[5]林高用,周佳,张振峰等. 基于DEFORM的金属压力加工数值模拟[J].热加工工艺,2006,35(17):51-53
[6]薛永栋,韩静涛. 基于DEFORMD的金属压力加工数值模拟[J].冶金设备,2007,（4）:34-37
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[8]周朝辉,曹海桥,吉卫等DEFORM有限元分析系统软件及应用[J].热加工工艺,2003,32（2）:51-52
[9]林新坡.DEFORM-2D CAE软件在模拟金属塑性变形过程中的应用[J].模具技术,2003,（3）:75-80
[10]马怀宪.金属塑性加工学—挤压、拉拔与管材冷轧[M].北京:冶金工业出版社,1991.5
[11]李传民,王向丽,闫华军等DEFORM5.03金属成形有限元分析实例指导教程[M].北京:2007.1
致 谢

本次毕业设计是在张金标导师的悉心指导下完成的。他严谨的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到论文的最终完成，张老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。张老师自从为我们授课以来，就始终是严格要求我们有着一丝不苟的学习态度；张老师不仅在学业上要求我们精益求精，同时还在思想、生活上给我以关怀，时常教导我们，作为学生还是要以学为主，多学点知识，让知识来丰富我们的生活，这样在将来的就业竞争中处于优势，大学四年我没有荒废学业，尽我最大的努力学习有用的知识，并与实践相结合，充分理解和掌握并运用知识。我相信在大学里学的知识将使我受益终生，在此谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我也要感谢在一起奋斗的同学，他们是我并肩战斗的同志，为了共同的目标和理想，我们走在了一起，互相帮助，互相鼓励，他们是我学习的动力，也让我体会到大学生活的乐趣，正因为他们的帮助和支持，我才能克服重重困难，度过一次次的难关，直至最终的毕业设计的顺利完成。在此真心感谢他们，衷心祝福他们。再一次感谢张导师，您让我们学会了团结一致，团队协作的重要性，让我们解决了毕业设计这一重大问题。在此由衷地感谢所有帮助我的同学和导师。

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